Celuloza — sastavni deo zidova biljnih ćelija — važan je izvor hrane, papira, tekstila i biogoriva, ali je ostalo nejasno kako je njeno stvaranje regulisano u biljnim ćelijama. Sada je tim predvođen istraživačima u Penn State-u identifikovao protein koji modifikuje ćelijsku mašineriju odgovornu za proizvodnju celuloze, što na kraju daje stabilnost toj mašineriji. Ovo novo razumevanje moglo bi da pruži informacije o dizajnu stabilnijih materijala obogaćenih celulozom za biogoriva i druge funkcije.
Unutar biljne ćelije, kompleks proteina koji se naziva kompleks sintaze celuloze gradi lanac celuloze. Regulacija ovog procesa određuje niz svojstava kao što su kada i koliko brzo se dešava, kao i dužina celuloznog lanca.
„Celuloza je najzastupljeniji biopolimer na Zemlji, ali uprkos njenoj važnosti, relativno malo se zna o tome kako je njena sinteza regulisana“, rekao je Jing Gu, profesor biohemije i molekularne biologije na Penn State Eberli College of Science i vođa istraživanja. tim. „U ovoj studiji smo identifikovali protein nazvan kalcijum zavisna protein kinaza 32 (CPK32) i potvrdili da hemijski modifikuje jedan od proteina u kompleksu celulozne sintaze, na kraju pomaže u regulisanju procesa biosinteze celuloze.“
Istraživači su objavili svoje nalaze u časopisu New Phytologist.
Hemijska modifikacija koju sprovodi protein CPK32 naziva se fosforilacija; dodaje hemijsko jedinjenje poznato kao fosforna grupa proteinu celulozne sintaze CESA3. Ove vrste modifikacija su reverzibilne i podržavaju niz važnih bioloških funkcija u ćeliji.
Kod ljudi, više od 200.000 lokacija na proteinima može biti fosforilisano sa više od 500 proteina, koji se nazivaju kinaze. U biljci Arabidopsis, takođe poznatoj kao thale cress i koja se obično koristi u nauci o biljkama, više od 43.000 lokacija može biti fosforilisano sa više od 1.000 kinaza.
„Identifikovanje koja od mnogih kinaza može da fosforiliše celuloznu sintazu bilo je veoma zastrašujuće“, rekao je Gu. „Koristili smo pristup skriningu da bismo potražili proteine koji se direktno povezuju sa CESA3. Ovo je otkrilo kinazu CPK32, a mi smo pratili niz eksperimenata da potvrdimo da CPK32 zapravo fosforiliše CESA3, kako bismo identifikovali specifičnu lokaciju na CESA3 gde se to dešava, i da se utvrdi kako ova fosforilacija utiče na biljku.“
Istraživači su zatim kreirali verziju CESA3 proteina sa mutacijom koja je promenila mesto gde se dodaje fosforna grupa, sprečavajući fosforilaciju. Ćelije mutiranih biljaka – gde fosforilacija CESA3 nije bila moguća – imale su smanjen sadržaj celuloze i smanjenu stabilnost kompleksa celulozne sintaze, a odrasle biljke mutiranih biljaka imale su usporen rast.
„Prethodne studije su pokazale da CPK32 igra ulogu u nekoliko bioloških procesa, uključujući rast polenovih cevi, kao i razvoj izdanaka i korena“, rekao je Gu. „Ovde pokazujemo novu funkciju CPK32 i novi mehanizam fosforilacije u stabilizaciji kompleksa celulozne sintaze.“
Zatim, istraživači planiraju da istraže da li je fosforilacija CESA3 jedinstvena za CPK32 ili da li bilo koja druga kinaza unutar iste porodice može na sličan način regulisati biosintezu celuloze.
„Regulisanjem stabilnosti kompleksa celulozne sintaze, možda ćemo moći da podstaknemo ćelije da proizvode duže celulozne lance i na kraju konstruišu materijale bogate celulozom“, rekao je Gu.
